Способ генерации оптического разряда Российский патент 2023 года по МПК H01J61/02 H01J65/04 

Изобретение относится способам генерации оптического разряда, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.

Оптический разряд можно использовать в качестве источника света очень большой яркости, поскольку температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других типах разрядов - 15000-20000 К, тогда как в дуговом, обычно, 7000-8000 К, в ВЧ разряде - 9000-10000 К. Плазма оптического разряда в различных газах, в частности в ксеноне, создаваемая сфокусированным лучом непрерывного лазера при давлении газа 10-20 атм, является одним из самых высокояркостных источников непрерывного излучения, в частности в широком спектральном диапазоне 170-880 нм. По сравнению с дуговыми лампами такие источники обладают большим временем жизни. Высокая спектральная яркость источников света с лазерной накачкой, около 10⁴ Вт/м²/нм/ср при уровне мощности излучения в несколько ватт делает их предпочтительными для многих применений.

Известен способ-аналог поддержания оптического разряда (патент US 7435982 “Laser-driven light source”) заключающийся в облучении сфокусированным с помощью системы фокусировки лазерным излучением камеры, заполненной газовой средой высокого давления. Фактически приведенный способ представляет собой один из вариантов реализации явления непрерывного оптического разряда, обнаруженного в 1970 г. в СССР (Генералов Н.А., Зимаков В.П. и др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).

Важно отметить, что в способе-аналоге яркость излучения увеличивается слабо по мере роста мощности используемого лазера, поскольку вместе с ростом мощности лазера увеличивается и объем излучающей плазмы, генерируемой лазером накачки. Например, при увеличении мощности лазера от 20 Вт (источник EQ-99, Hamamatsu Photonics) до 60 Вт (источник EQ-1500, Hamamatsu Photonics) размер излучающей плазмы по уровню 50% от максимальной яркости увеличивается от 60 мкм × 140 мкм до 125 мкм × 300 мкм, то есть объем плазмы возрастает в 9 раз. Это означает, что мощность энерговыделения в единице объема плазмы с увеличением мощности лазера даже уменьшается. При этом максимальная температура плазмы даже несколько снижается, а рост спектральной яркости достигается менее эффективным способом - за счет увеличения оптической толщины плазмы, в основном прозрачной для собственного теплового излучения. Кроме того, медленный рост яркости лазерной плазмы при увеличении лазерной мощности связан с рефракцией лазерного излучения в нагретом газе: с увеличением мощности лазерного излучения увеличивается и тепловыделение в фокальной области. В результате возрастает размер и оптическая сила «рассеивающей тепловой линзы», возникающей в области излучающей плазмы и вокруг этой области, что ухудшает условия фокусировки лазерного излучения.

Известен способ поддержания оптического разряда (RU157892 U1), принятый за прототип, заключающийся в облучении заполненной газовой средой высокого давления камеры, двумя сфокусированными лазерными лучами, полученными с помощью двух лазеров и двух систем фокусировки, причем угол между направлением излучения лазеров составляет не менее 60°.

Авторами прототипа обнаружено, что при возбуждении оптического разряда сфокусированным излучением двух лазеров с по существу совпадающими фокусами область высокой яркости такого разряда (например, по уровню 50% от максимальной яркости) сосредоточена вблизи области пересечения фокальных областей каждого из лучей и может быть существенно меньше, чем занимаемая плазмой область для каждого из лазерных лучей в отдельности. Как следствие, при достаточно большом угле θ между направлением оптических осей каждого из лазерных лучей, а именно при θ≥60° резко увеличивается стабильность положения области оптического разряда с максимальной яркостью, яркая область «совместной» плазмы оказывается значительно меньше размера яркой области плазмы, генерируемой каждым из используемых лазеров в отдельности, а яркость излучения плазмы оптического разряда I_Σ значительно превосходит арифметическую сумму яркостей плазмы I₁+I₂, где I₁, I₂ - яркость плазмы в случае работы только одного лазера (соответственно, первого или второго).

Недостаток прототипа заключается в необходимости применения двух лазеров для поддержания оптического разряда, а соответственно и двух систем фокусировки и управления излучением. Также, при отражении лазерного излучения от плазмы оптического разряда нежелательное излучение возвращается и причиняет вред выходу оптоволокна лазера, а в случае отсутствия блокиратора - и самому лазеру.

Существуют тонкопленочные поляризаторы Брюстера (http://vicon-se.ru/catalog/optika/polyarizacionnye_komponenty1/tonkij_polyarizator_bryustera/), представляющие собой разновидность оптических поляризаторов, основанных на интерференционных эффектах в многослойном диэлектрическом покрытии. Это покрытие обычно помещают на прозрачную пластину. Если угол падения составляет угол Брюстера, то достигается сильно зависящая от поляризации отражательная способность: s-поляризованный свет отражается, а p-поляризованный свет проходит насквозь. Таким образом легко избежать потерь на отражении проходящего света на задней стороне. Поскольку интерференционные эффекты в многослойном покрытии зависят от длины волны, тонкопленочный поляризатор может работать только в ограниченном диапазоне длин волн и углового диапазона. Такие поляризаторы оптимизируют под основные длины волн лазеров. Преимуществом тонкопленочных поляризаторов является то, что они могут быть выполнены достаточно больших размеров, что позволяет работать с лазерным излучением большой мощности.

Заявляемый способ поддержания оптического разряда направлен на устранение недостатков прототипа, а именно дает возможность реализовать двухлучевую схему поддержания оптического разряда с применением одного лазера непосредственно для поддержания разряда и при этом позволяет отвести нежелательное отраженное излучение от лазера или выхода оптоволокна тем самым избегая причинения им вреда.

Указанный результат достигается тем, что в способе генерации оптического разряда, расположенного в разрядной камере, излучение лазера подают на тонкопленочный поляризатор под углом Брюстера, отраженный луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме, проходящий луч с p-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку фокусируют в разрядном объеме, для поджига оптического разряда излучение лазера для поджига направляют на тонкоплёночный поляризатор, подают лазерный импульс, устанавливают поглотитель излучения, отраженные от плазмы обратные лучи отражают от двух зеркал, пропускают через четвертьволновые пластинки, направляют на тонкопленочный поляризатор и отводят в поглотитель излучения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическими материалами. На Фиг.1 и Фиг.2 представлена схема примера реализации заявляемого способа. На Фиг.1 для наглядности показан ход лучей прямого лазерного излучения, а ход отраженных лучей не показан. На Фиг.2, наоборот, для наглядности показан ход отраженных лучей, а ход лучей прямого лазерного излучения не показан.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное неполяризованное излучение 1 лазера 2 подают на тонкопленочный поляризатор 3 под углом Брюстера. Тонкопленочный поляризатор 3 подбирают под длину волны лазера 2. Тонкопленочный поляризатор 3 пропускает луч 4, имеющий линейную p-поляризацию и отражает луч 5, имеющий линейную s-поляризацию. Лучи 4 и 5 пропускают через четвертьволновые пластинки 6 и 7. Четвертьволновые пластинки 6 и 7 подбирают под длину волны лазера 2. Четвертьволновые пластинки 6 и 7 располагают их медленными или быстрыми осями под углом 45 градусов к плоскости поляризации падающих лучшей 4 и 5. Таким образом, выходящие из них лучи 8 и 9 имеют круговую поляризацию. Луч 9 отражают от двух зеркал 10 для создания необходимого (более 60 градусов) угла между лучами 8 и 9. Лучи 8 и 9 фокусируют линзами 11 так, чтобы они пересекались внутри герметичной камеры 12, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда 13. Линзы 11 подбираются таким образом, чтобы пропускать излучение на длине волны лазера 2 и блокировать остальные диапазоны, для защиты оборудования от ультрафиолетового излучения плазмы оптического разряда 13. Для первоначального поджига оптического разряда 13 применяют лазер для поджига 14. генерирующий излучение на той же длине волны, что и лазер 2. Лазер для поджига 14 устанавливают таким образом, чтобы его луч 15 при отражении от тонкопленочного поляризатора 3 был соосен лучу 4, а при прохождении луча 15 через тонкопленочный поляризатор 3 был соосен лучу 5. На поляризацию излучения лазера для поджига 14 ограничений нет: при неполяризованном излучении луч 15 разделится на отраженный и прошедший, при s-поляризации луч 15 отразится от тонкопленочного поляризатора 3, при p-поляризации - пройдет сквозь тонкопленочный поляризатор 3. При подаче излучения лазера 2 и импульса пробойной мощности лазера для поджига 14 на пересечении сфокусированных лучей 8 и 9 образуется облако плазмы оптического разряда 13, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 13 поддерживают за счет поглощения излучения только лазера 2. После поджига оптического разряда 13 между лазером для поджига 14 и тонкопленочным поляризатором 3 устанавливают поглотитель излучения 16. Часть излучения лучей 8 и 9 отражается от плазмы оптического разряда 13 и возвращается в виде лучей 17 и 18, причем круговая поляризация при отражении сохраняется, а фаза при отражении от плазмы оптического разряда 13 (которая по сути является проводником), меняется на 180 градусов). При пропускании лучей 17 и 18 через четвертьволновые пластинки 6 и 7 их поляризация из круговой превращается в линейную, при этом луч 19 получает s-поляризацию, а луч 20 - p-поляризацию. Луч 19 отражают от тонкопленочного поляризатора 3 в поглотитель излучения 16, а луч 20 пропускают сквозь тонкопленочный поляризатор 3 в поглотитель излучения 16.

Таким образом, одновременно достигается поглощение нежелательного отраженного лазерного излучения при эффективном поддержании оптического разряда на пересечении двух лучей с помощью одного лазера. Лазер для поджига 14 после поджига оптического разряда 13 может быть извлечен из установки. Встраивание лазера для поджига 14 в рабочую оптическую систему особенно актуально для разрядных камер 12, имеющих ограниченное количество окон, пропускающих излучение.

Изобретение относится к способу генерации оптического разряда с целью получения широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях. Технический результат - расширение арсенала технических средств. В способе генерации оптического разряда, заключающемся в поддержании оптического разряда, расположенного в разрядной камере, излучение лазера подают на тонкопленочный поляризатор под углом Брюстера. Отраженный луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку, отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме. Проходящий луч с p-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку, фокусируют в разрядном объеме. Для поджига оптического разряда излучение лазера направляют на тонкоплёночный поляризатор, подают лазерный импульс, устанавливают поглотитель излучения, отраженные от плазмы обратные лучи отражают от двух зеркал, пропускают через четвертьволновые пластинки, направляют на тонкопленочный поляризатор и отводят в поглотитель излучения. 2 ил.

Способ генерации оптического разряда, расположенного в разрядной камере, отличающийся тем, что излучение лазера подают на тонкопленочный поляризатор под углом Брюстера, проходящий через тонкопленочный поляризатор луч с p-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку и фокусируют в разрядном объеме, отраженный от тонкопленочного поляризатора луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку, отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме, зеркала располагают таким образом, чтобы лучи пересекались в разрядном объеме, а угол между лучами составлял более 60 градусов, для поджига оптического разряда излучение лазера для поджига направляют на тонкопленочный поляризатор, подают лазерный импульс, устанавливают на место лазера для поджига поглотитель излучения, отраженные от плазмы обратные лучи с измененной относительно прямых лучей поляризацией пропускают по их оптическим путям обратно до тонкопленочного поляризатора и отводят в поглотитель излучения.